Science：新研究揭示大腦如何形成環境地圖的機制

　　清晨，當你走進廚房時，你很容易確定自己的方向。為了煮咖啡，你會走近一個特定的位置。也許你會走進儲藏室，快速吃點早餐，然后走向汽車，駛向工作地點。

　　來自美國貝勒醫學院、斯坦福大學和合作機構的神經科學家對這些看似簡單的任務是如何完成的非常感興趣。為此，他們在一項新的研究中揭示一種介導動物如何在環境中移動的腦細胞水平機制，大大提高了人類對這一過程的理解。相關研究結果發表在2024年3月1日的Science期刊上，論文標題為“Retrograde endocannabinoid signaling at inhibitory synapses in vivo”。

　　論文共同第一作者兼論文通訊作者、貝勒醫學院神經學助理教授Barna Dudok博士說，“眾所周知，動物和人類之所以能在環境中找到自己的方向，要歸功于海馬體，它是一個大腦區域，能形成一種表征，一種環境地圖，讓我們知道自己身在何處。”

　　海馬體中的無數腦細胞或是神經元共同繪制出一個特定環境（比如你家的廚房）的地圖。科學家們知道，這些稱為位置細胞（place cell）的神經元只有在環境中的特定位置才會被激活。例如，咖啡壺的位置會激活一個位置細胞，而儲藏室會激活另一個位置細胞。

　　Dudok說，“位置細胞能幫助一個人知道自己在哪里。當一個人走過環境中的一個特定區域時，特定的位置細胞會被激活，當他移動到另一個區域時，其他位置細胞也會被激活。在這項新的研究中，我們以小鼠為研究對象，展示了當它們在環境中確定自身的方向時，在神經元水平上會發生什么變化。具體來說，我們證實了一種叫做內源性大麻素（endocannabinoids）的分子信使在位置細胞活動中的作用。”

　　圖片來自Science, 2024, doi:10.1126/science.adk3863

　　當海馬體中的位置細胞被激活時，它們會釋放內源性大麻素，這是一種脂質，類似于脂肪的分子，可以介導一個神經元與下一個神經元之間的交流。

　　Dudok說，“在此之前，關于內源性大麻素如何發揮作用的所有細節都是在大腦切片中描述的。在這項新的研究中，我們首次在活體動物體內高分辨率記錄了這些信號的活動過程。”

　　這些作者利用一種能將內源性大麻素信號轉化為熒光的分子工具和顯微鏡，對小鼠在跑步機上跑步時的大腦進行成像。

　　Dudok說，“當我分析這些圖像時，我意識到一些可被檢測到的內源性大麻素信號在小鼠位置移動時就會發生變化，這讓我受益匪淺。我研究這個信號通路已經有很長一段時間了，它一直是我們可以從大腦切片上發現的東西。能夠真正看到它在活動動物的大腦中發生，這讓我非常興奮。”

　　令人吃驚的是，激活的單個位置細胞會釋放內源性大麻素，而且這一信號會在幾秒鐘內消失。Dudok說，“以前，人們猜測這將是一種擴散到各種細胞的緩慢信號，但現在看來，這是一種快速信號，對單個細胞非常特異，有助于提高其編碼動物位置信息的能力。”

　　這些作者發現，通過消除神經元中的內源性大麻素受體來破壞這一機制，也會破壞海馬體中幫助動物了解自身位置的回路，從而使海馬體形成的地圖準確性降低，這證明了內源性大麻素信號在動物定位中的重要性。

　　這項新的研究對人類神經系統疾病也有影響。Dudok說，“我們的研究團隊和其他研究團隊早些時候已發現，癲癇發作會觸發內源性大麻素的釋放。我們想了解這是否會導致癲癇患者的記憶問題。這可能會為預防或恢復癲癇患者內源性大麻素信號通路重組提供新的方法，并有可能改善這種疾病中的認知并發癥。”